华北理工自动检测技术课件第1章 绪论

第1章绪论

本章介绍检测技术的基础知识。检测的基本概念和检测仪表的作用；测量误差的基本概念；测量误差的产生原因及处理方法；检测仪表组成分类；仪表性能指标的计算方法。返总目录教学目录：1.1检测的概念1.2测量误差及处理返总目录1.3检测仪表的组成1.4检测仪表的分类1.5检测仪表的性能指标1.1检测的概念1.1.1检测的定义1.1.2检测的方法重点：检测的概念。重点：测量方法的分类。返总目录返本章目录1.1.1检测的定义

返本章目录返本节目录检测

利用敏感元件与被测物体或生产过程直接或间接接触，获得反映被测量大小的相关物理、化学、电学、热学、力学等信号，在经过必要的转换或传递后，通过显示器进行显示参数的过程。

如：利用金属热电阻测量温度1.1.2检测的方法返本章目录返本节目录实现检测过程所采用的具体方法。检测方法主要有以下几种分类方法。1、按测量敏感元件是否与被测介质接触分：接触测量、非接触式测量；2、按被测变量的变化速度分：静态测量、动态测量；3、按测量手段分：直接测量、间接测量；4、按测量原理分：偏差法、零位法、微差法测量；5、按检测系统的结构分：开环式测量、闭环测量6直接测量：直接测量待测参数的测量方法。待测参数为被测参数。天平----物体重量间接测量：通过测量与待测参数有关系的其他参数，并通过数学处理获取待测参数的测量方法。

光电式烟雾传感器----检测直接引起光量变化的烟雾的浓度，将光信号转换为电信号。

接触式：检测元件需与被测介质接触，例如：利用热电阻测温

非接触式：检测元件不需接触被测介质，例如辐射式测温7

偏差式：利用仪表指针相对于刻度线的位移来直接指示被测量的大小的测量方法。例：弹簧秤

该类仪表测量方式直观，测量过程简单、迅速，但测量精度较低。零位式：也称平衡式测量。用指零机构的零位指示检测测量系统的平衡状态；通过比较被测量与已知标准量差值或相位，调节已知标准量的大小，使两者达到完全平衡或全部抵消，从而得出测量值大小的方法。例：天平称量物体微差式：

通过将被测量与已知标准量进行比较，取得差值，再用偏差法测得此差值。由于测量过程中无需调整标准量，因此，对被测量的反应较快。微差式仪表特别适用于在线控制参数的检测。1.2测量误差及处理1.2.1测量误差1.2.2误差的分类重点：测量误差的表示方法。重点：系统误差，随机误差，粗大误差。返总目录返本章目录1.2.3误差的分析与处理重点：误差的特点及处理方法。1.2.1

测量误差

返本章目录返本节目录测量误差测量值与真值之间的差称为测量误差。相关概念：理论真值：

被测量本身所具有的真正值。如三角形内角之和为180度。常用约定真值或相对真值来代替理论真值。

返本章目录返本节目录相关概念：约定真值

根据国际计量委员会通过并发布的各种物理参量单位的定义，利用当今最先进科学技术复现这些实物单位基准，其值被公认为国际或国家基准，称为约定真值。例如，保存在国际计量局的1kg铂铱合金原器就是1kg质量的约定真值。1.2.1

测量误差

返本章目录返本节目录相关概念：相对真值如果高一级检测仪器(计量器具)的误差仅为低一级检测仪器误差的1／3～1／10，则可认为前者是后者的相对真值。例如，高精度石英钟的计时误差通常比普通机械闹钟的计时误差小l～2个数量级以上，因此高精度的石英钟可视为普通机械闹钟的相对真值。1.2.1

测量误差误差的来源

返本章目录返本节目录1．模型误差用数学方法解决一个具体的实际问题，首先要建立数学模型，这就要对实际问题进行抽象、简化，因而数学模型本身总含有误差。数学模型是指利用数学语言模拟现实而建立起来的有关量的描述。2．观测误差数学模型中的参数和原始数据，是由观测和实验得到的。由于测量工具的精度、观测方法或客观条件的限制，使数据含有测量误差。数值方法中需要了解观测误差，以便选择合理的数值方法与之相适应。误差的来源

返本章目录返本节目录3．截断误差用近似公式计算时所引起的误差。有些情况下舍掉高次项，则截断误差的大小直接影响测量结果的精度和计算工作量，是数值计算中必须考虑的一类误差。误差的来源返本章目录返本节目录4．舍入误差在数值计算中只能对有限位字长的数值进行运算，需要对参数、中间结果、最终结果作有限位字长的处理。

用有限位数字代替精确数的误差，是数值计算中必须考虑的一类误差。误差的表示形式（1）绝对误差测量值与真实值的差值：Δx=x-x0（2）相对误差测量结果的绝对误差与真值比值的百分数称为相对误差，即：

返本章目录返本节目录1.2.1

测量误差（3）引用误差

所谓引用误差，就是测量仪表的在量程范围内某点的示值的绝对误差与其量程比值的百分数。用最大引用误差确定仪表精度和选择仪表精度的方法通过例题讲解。返本章目录返本节目录解：该测温仪表的最大引用误差为

去掉%后，该表的精度值为0.6，介于国家规定的精度等级中0.5和1.0之间，而0.5级表和1.0级表的允许误差δ表允分别为±0.5%和±1.0%。则这台测温仪表的精度等级只能定为1.0级。例1-1某台温度检测仪表的测温范围为100～600℃，校验该表时得到的最大绝对误差为3℃，试确定该仪表的精度等级。例题返本章目录返本节目录例1-2现需选择一台测温范围为0～500℃的测温仪表。根据工艺要求，温度指示值的误差不允许超过±4℃，试问：应选哪一级精度等级的仪表？解：工艺允许相对误差为

去掉±和%后，该表的精度值为0.8，也是介于0.5～1.0之间，而0.5级表和1.0级表的允许误差δ表允分别为±0.5%和±1.0%。应选择0.5级的仪表才能满足工艺上的要求。例题返本章目录返本节目录系统误差大小和方向保持固定，或按一定规律变化的误差。

随机误差各次测量误差的大小和方向没有规律性。但是，若对这些误差进行大量统计，其出现是符合统计规律的。粗大误差由于操作者的粗心大意或失误所造成的测量误差，称为疏忽误差。（按照产生的原因及其性质来分）返本章目录返本节目录1.2.2误差的分类1.准确度测量结果与真值接近程度。反映了系统误差大小2.精密度在相同条件下，对被测量进行多次反复测量，测量值之间的一致(符合)程度。用随机误差来表征测量结果的精密度。3.精确度同时表征测量结果与真值的接近程度和多次测量值的离散程度的物理量，又称精确度。它是反映系统误差和随机误差合成情况的一个物理量。

返本章目录返本节目录1.2.2误差的分类2026/7/15212.4误差的分类一、系统误差(systematicerror)：1.定义：在同一测量条件下，对同一被测参数进行多次重复测量时，误差的大小和符号保持不变或按一定规律变化。2.产生的原因：由于检测仪表本身的不完善、检测中使用仪表的方法不正确以及测量者固有的不良习惯等引起的。

3.消除方法：一般可通过实验或分析的方法找出其规律和影响因素，引入相应的校正补偿措施，对测量值进行修正；改善测量条件；改进测量方法等。便可以消除或大大减小。2026/7/1522二、随机误差(randomerror)

1.定义：相同条件下多次重复测量同一量时，误差的大小和符号是无规律变化的误差。2.产生的原因：由于测量过程中某种尚未认识的或无法控制的各种偶然因素（如空气扰动、噪声扰动、电磁场等）所引起的综合结果。3.消除：不能消除，也不能修正，值是随机的。4.特点：多次重复测量时，总体服从统计规律，故可以了解它的分布特性，并能对其大小和测量结果的可靠性作出估计，是误差理论的依据。随机误差的大小和方向无法预测。总体服从一定的规律。不能通过校正的方法消除，但可从理论上估计其对测量结果的影响。2.4误差的分类2026/7/1523三、粗大误差(crassierror)

1.定义：相同条件下多次重复测量同一量时，明显偏离了结果的误差。2.产生的原因：疏忽大意或不正确的观测、测量条件的突然变化、仪器故障等。3.消除：遵循一定的规则。4.特点：通常数值比较大。测量中应避免这类误差的出现。含有粗大误差的测量值称为坏值。判断某一测量值是否为坏值，可用统计方法或遵循一些准则。2.4误差的分类2026/7/1524

三种误差可以互相转化。如尺子的分划误差，在制造尺子时为随机误差，因为可长可短，无规律，但用它测量时，该误差使测量结果始终大些或小些，变成为系统误差。

还可根据误差产生的原因将其分成设备误差、人员误差、环境误差、方法误差及测量对象变化的误差等。正确的测量不会包含有粗大误差，系统误差又可以消除，因此误差分析只是随机误差的分析。三种误差的关系：2.4误差的分类

返本章目录返本节目录系统误差的大小有一定的规律（恒定、线性、周期、复杂规律）。可通过校正消除或减小。1.修正法

对于有些零值误差，如千分尺使用时间较长后产生的磨损，可引入一个修正值，在测量时进行修正。对于仪器的示值误差，可通过与高精度仪器比较，或根据理论分析导出修正值，予以修正。2.交换法

在测量中对某些条件(如被测物的位置)进行交换，使产生系统误差的原因对测量结果起相反的作用。例如，为了消除天平不等臂误差，可采用“复秤法”，即交换被测物和砝码的位置再测一次，取两次结果的平均值。3.补偿法

例如在量热学实验中，采用加冰降温，使系统的初温低于环境温度而吸热，以补偿在升温时的热损失。1.2.3

误差分析及处理

返本章目录返本节目录随机误差的统计规律：（１）单峰性：绝对值小的误差出现的概率比绝对值大的误差出现的概率大。（２）对称性：绝对值相等的正误差和负误差出现的概率相等。（３）有界性：绝对值很大的误差出现的概率近于零。误差的绝对值不会超过某一个界限。（４）抵偿性：在一定测量条件下，测量值误差的算术平均值随着测量次数的增加而趋于零。

多次测量取平均值。1.2.3

误差分析及处理返本章目录返本节目录粗大误差莱伊特判定准则：1.2.3

误差分析及处理的误差为粗大误差，必须剔除。标准误差σ式中n——测量次数（趋于无限）；

ei=Xi-Xi——第i次测量产生的误差

Xi——第i次测量值；

Xi——真实值1.3检测仪表的组成返总目录返本章目录1、组成：敏感元件：又称为检测元件，感受被测变量并作响应的元件。例如弹性膜盒是一种压力敏感元件。传感器：将被测量转换为与之有确定关系的、便于传送处理的另一种物理量的测量器件。某些敏感元件的输出响应本来就可以进行方便传输处理，如热电偶元件，它感受温度后直接转换成电动势。检测传感部分转换传送部分显示部分1.3检测仪表的组成返总目录返本章目录转换传送部分：把检测部分输出的信号进行放大、转换、滤波、线性化处理，以推动后级显示器工作。传感器的输出通过转换器把非标准信号转换成标准信号。（如：如直流电流4-2OmA;直流电压1-5V;空气压力20-l00kPa）显示部分：将测量结果用指针、记录笔、数字值、文字符号(或图像)的形式显示出来。

显示部分可以和检测部分、信号处理部分共同构成一个整体，成为就地指示型测量仪表，如弹簧管压力表，玻璃管式液位计，水银温度计等;也可以单独工作为一台仪表与各类传感器、变送器等配合使用构成检测、控制系统，如电子电位差计、数字显示表、无纸记录仪等。

302、功能确定被控变量的当前值。3、对检测仪表的要求高准确性：传感器的输出信号与被测参数成严格的对应关系。

高稳定性：不受时间或环境温度变化等因素的影响。

高灵敏度：被测参数微小变化时，输出量变化明显。

1.4检测仪表的分类返总目录返本章目录检测仪表有多种分类方式（1）按被测参数分类：流量、温度、成分检测仪表。（2）按指示方式分类：指示型、记录型、远传型仪表等。（4）按敏感元件与介质的联系分类：接触式、非接触式检测仪表。（5）按仪表的组合方式分类：基地式、单元组合仪表。基地式仪表：集测量、显示、调节各部分功能于一体，单独构成一个固定的控制系统。单元组合式仪表：将检测变送、控制、显示等功能制成各自独立的仪表单元，各单元间用统一的输入输出信号相联系，可以根据实际需要选择某些单元进行适当的组合、搭配，组成各种测量系统或控制系统。按结构形式可分为（1）开环式结构：特点：简单、直观，性能不高。（2）闭环式结构：特点：消除了转换、显示环节干扰的影响。性能较高。依据敏感元件工作中是否需要外加能量

有源式：需要外加能量源，如热电阻测温无源式：无需外加能量源，其自身具有提供能量的能力，如热电偶测温1.5检测仪表的性能指标1.5.1线性度1.5.2灵敏度返总目录返本章目录1.5.3变差1.5.4精确度1.5.1线性度测量仪表的线性度线性度

是指仪表的特性曲线与端基直线最大输出偏差值的绝对值与量程比值的百分数，即：量程=Y上-Y下测量量程=X上-X下返本章目录返本节目录在通常情况下，总是希望测量仪表的输出量和输入量之间呈线性对应关系。在稳定状态下，仪表的输出增量对输入增量的比值，称为仪表的灵敏度。它就是仪表静态特性曲线上相应点的斜率：返本章目录返本节目录1.5.2灵敏度反映了仪表能够检测到的被测参数中最小变化的能力。变差：是指测量仪表在同一输入量下，其上行程与下行程输出量的最大差值。变差通常也表示成相对百分数的形式，即：原因：主要由于传动机构的间隙、摩擦或者仪表元器件吸收、释放能量所造成的。返本章目录返本节目录1.5.3变差变差的计算

例：某台压力表测量范围为0~10MPa，校验得出下列数据：

被较表正行程MPa01.983.965.947.979.99标准表MPa0246810被较表反行程MPa02.024.036.068.0310.01⑴求该压力表的变差。⑵计算该压力表是否符合1.0级精度。解：⑴变差为：(6.06-5.94)/10×100%=1.2%；⑵

精度为：(6-5.94)/10×100%=0.6%，符合1.0级精度，但变差1.2%超出仪表的允许误差1.0%，

所以：该压力表不符合1.0级精度要求。须检修！！

在测量仪表量程范围内，输出量和理论值的最大偏差与量程比值的百分数，称做仪表的基本误差。即：用来表征测量仪表基本误差允许值等级的量，称做仪表的精度。例如：0.5级精度的仪表，其允许基本误差是-0.5%≤δ允≤0.5%；也就是说，精度数值前加上正、负号后加％即为其允许误差范围。反过来，把允许误差限值去掉正负号及％即为精度。返本章目录返本节目录1.5.4精确度精确度一台测量范围0～1000kPa的压力测量仪表，其最大绝对误差10kPa(在整个量程范围内)，另一台测量范围0～400kPa的压力测量仪表，其最大绝对误差5kPa，请问哪一台压力检测仪表的精度更高？虽然后者的最大绝对误差较小，但这并不说明后者较前者精度高。在自动化仪表中，通常是以最大相对百分误差来衡量仪表的精确度，定义仪表的精度等级。

精确度

由于仪表的绝对误差在测量范围内的各点上是不相同的，因此在工业上通常将绝对误差中的最大值，即把最大绝对误差折合成测量范围的百分数表示，称为最大相对百分误差:仪表的精度等级（精确度等级）是指仪表在规定的工作条件下允许的最大相对百分误差。

☆☆仪表的精确度等级☆☆把仪表允许的最大相对百分误差去掉“±”号和“％”号，便可以用来确定仪表的精度等级。目前，按照国家统一规定所划分的仪表精度等级有：

0.005，0.02，0.05